电池周刊丨顶刊最新成果精选0113-0202
纳米人 2020-02-06

小编著:年已过完,2020的开头充满艰辛,不期盼接下来的日子会有多美好但求每天都能够尽心尽力的生活着,做一点点事情,学一点点知识,涤荡一点点黑暗,带来一点点光明和温暖。人的一生,是一个积累与蜕变的过程,每一点点的充实,每一点点的思维蜕变,都是有意义的。这一生有很多变数,走过的路,吃过的苦,受过的教训与疼痛,都会一点点的消除对未来的无知与茫然无措。现将2020.01.13-2020.02.02间发表的电池储能相关的文献简介汇总,希望能够让大家在不忘国事,关注疫情的情况下,有那么一段时间能够静下心,充实自己。该内容颇多,故分类如下:

一、碱离子电池

二、电解质

三、金属-硫电池

四、金属负极

五、金属-空气电池

六、其他

 

纳米人-凯发k8国际


1. nature mater.:富锂层状氧化物电极中的可逆阳离子迁移可缓解电压衰减和氧化还原不对称性

随着电气化交通的出现,人们迫切需要改进可充电锂离子电池。特别是,正极材料的能量密度上限是阻碍绿色能源技术全面应用的主要因素。在有望超越这些限制的正极材料中,富含锂的层状氧化物因其高可逆能力(超过250 mah g−1)和高压阴离子氧化还原化学而极具希望。尽管富含锂的层状氧化物电极的能量密度很高,但由于循环中的大量电压衰减而阻碍了其在电池中的实际应用。这种电压衰减被广泛认为是由于不可逆过渡金属迁移导致的结构重排引起的。由于防止这种自发的阳离子迁移是很困难的,因此需要将范式转向对其可逆性的管理。

 

在此,韩国首尔国立大学kisuk kang等人通过改变层状结构中氧的堆积顺序,证明可以显著改善锂镍锰氧化物阳离子迁移的可逆性,从而显著降低电压衰减。通过实验直观地描述了阳离子迁移卓越的循环可逆性,第一性原理计算表明,一种o2型结构限制了过渡金属在li层内的迁移,有效地简化了过渡金属的返回迁移路径。此外,增强的可逆性减轻了传统富锂电极中阴离子氧化还原的不对称性,促进了高电位阴离子还原,从而降低了后续的电压滞后。这一研究结果表明,调节阳离子迁移的可逆性是降低富锂层状材料电压衰减和滞后的一种实用策略。


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dongguneum, byunghoon kim, sung joo kim, hyeokjun park, jinpeng wu, sung-pyo cho,gabin yoon, myeong hwan lee, sung-kyun jung, wanli yang, won mo seong, kyojinku, orapa tamwattana, sung kwan park, insang hwang, kisuk kang. voltage decayand redox asymmetry mitigation by reversible cation migration in lithium-richlayered oxide electrodes. nature materials 2020.

doi:10.1038/s41563-019-0572-4

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0572-4

 

2. nature energy:电动汽车用高镍层状氧化物正极材料

锂基电池中高镍层状氧化物正极材料将会以更实惠的价格成为解决电动汽车续航问题的最优方案。在保持可接受的功率,寿命和安全指标的同时,不断提高能量密度和减少使用昂贵原料(如钴)的呼声不断提高,进而要求采取一系列战略性的措施包括从成分,形态和微观结构设计以及有效的材料生产工艺等方面进行改进。

 

近日,美国德州奥斯汀分校arumugam manthiram等人讨论了高镍层氧化物正极的几个重要设计考虑因素,这些正极材料将在未来十年中在汽车市场中得到应用。他们概述了最大限度地提高其能量输出的各种内在限制,并比较了当前和新兴发展的低钴甚至零钴含量正极材料的技术路线。材料生产是另一个重点,与降低成本和应对高镍层状氧化物在苛刻的车辆应用中的实际挑战有关。他们进一步评估了针对其前景的一系列稳定化技术,以实现汽车电气化的未来目标。


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li,w., erickson, e.m. & manthiram, a. high-nickel layered oxide cathodes forlithium-based automotive batteries. nat energy (2020)doi:10.1038/s41560-019-0513-0

doi:10.1038/s41560-019-0513-0

https://doi.org/10.1038/s41560-019-0513-0

 

3. ensm:硫化物全固态电池中高度稳定富镍层状正极的双功能界面

全固态锂离子电池(asslibs)有望替代传统的液态锂离子电池,成为高安全、高性能锂电池的替代产品。然而,大多数正极材料与硫化物基固体电解质之间的不相容界面,仍然是对asslibs电化学性能的挑战。在此,西安大略大学孙学良等人针对硫化物基asslibs中的富镍层状氧化物(ncm811)正极进行了双功能li3po4(lpo)改性,以实现高性能的硫化物基固态电池。

 

与裸正极相比,改性后的正极在0.1c倍率下的初始容量(170.6 mah g−1)有了显著提高,倍率性能也表现的更加出色,极化程度也更低。更重要的是,其在0.2 c倍率下的300个循环中,以每个循环0.22 mah g−1的低容量衰减率实现了稳定的长期循环。通过x射线吸收近边结构光谱、x射线光电子能谱和透射电子显微镜研究了表面化学和结构的详细演变。结果表明,lpo改性不仅能显著抑制硫化物电解质的副反应,而且有助于缓解电化学反应中微观结构裂纹的恶化。这项工作为实现高性能的硫化物基asslib提供了理想且可控的界面设计,并可应用于其他固态电池系统。


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sixudeng, xia li, zhouhong ren, weihan li, jing luo, jianwen liang, jianneng liang,mohammad norouzi banis, minsi li, yang zhao, xiaona li, changhong wang, yipengsun, qian sun, ruying li, yongfeng hu, huan huang, li zhang, shigang lu, junluo, xueliang sun. dual-functional interfaces for highly stable ni-rich layeredcathodes in sulfide all-solid-state batteries. energy storage materials 2020.

doi:10.1016/j.ensm.2020.01.009

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.01.009

 

4. ees:阳离子无序的岩盐结构过渡金属氧化物和氟氧化物,可用于高比能锂电池正极

锂离子二次电池可满足社会不断增长的电能存储需求,例如为了运输的电气化,便携式电子设备和网格存储应用,需要具有更大电荷存储容量和高能量密度的新型电极材料。在过去的五年中,一些实验和理论研究证明了无序岩盐(drx)正极的可行性,即具有晶体岩盐结构但锂和过渡金属在阳离子晶格上无序排列的锂过渡金属氧化物正极。近日,美国加州大学伯克利分校gerbrand ceder等人从结构,组成特征以及电化学性能方面概述了对drx材料的当前认识。他们还提出了高性能drx正极设计的重要考虑因素,并提出了未来的研究方向。

 

由于不需要特定的顺序,drx化合物可以由多种过渡金属组成,这可以使锂电池行业减少对稀缺和昂贵原材料的依赖,从而为锂电池行业创造长期利益。尽管一些drx组合物可以简单地在高温下合成以引起阳离子紊乱排序,但是部分其他化合物需要机械化学的方法来产生阳离子的无序排列。无序阳离子导致独特的锂传输特性,在充放电循环中体积变化很小和具有倾斜的充放电曲线。氟替代氧以及在本体drx结构中掺入高价过渡金属是增加材料中锂含量,改善锂渗透和保持氧化还原活性金属的低价态从而获得高氧化还原能力的两种策略。受热处理,金属成分和氟取代影响的短程阳离子有序对电化学性能有重大影响。此外,氟取代氧可通过显着减少充电过程中基于阴离子的电荷补偿机制来改善长期容量保持能力。氟化drx最近表现出大于 300 ma h g-1可逆容量,并且能量密度接近1000 w h kg-1,这有望使商用锂离子电池的能量密度提高近两倍。


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r.j. clément, z. lun, g. cede, cation-disorderedrocksalt transition metal oxides and oxyfluorides for high energy lithium-ioncathodes, energy environ. sci., 2020

doi:10.1039/c9ee02803j

https://doi.org/10.1039/c9ee02803j

 

5. aem:li2o:li–mn–o无序岩盐纳米复合材料作为高性能锂离子电池的正极预锂化添加剂

在第一次充电时形成的固体电解质中间相(sei)是限制锂离子电池性能的一个常见问题。来自正极材料的7–20%的li会不可逆地结合在石墨负极的表面,并形成钝化层,而对于si而言,其含量可能高达30%,从而导致容量损失。已经探索了几种将牺牲添加剂加入电池的预锂化路线,以减轻第一次充电时的不可逆容量损失。从整体上看,牺牲物质作为li 供体,弥补了sei形成过程中活性li 的损失。在此,英国stfc卢瑟福-阿普尔顿实验室mariadiaz-lopez等人报道了一种新的基于机械化学合金化合成的li2o:li2/3mn1/3o5/6复合材料的牺牲正极添加剂。

 

这些纳米复合材料在所研究的li-mn-o体系中显示出最高1157 mah g−1的容量(但不可逆),相当于li2/3mn1/3o5/6无序岩盐最初报道容量的300%以上。如此高的不可逆容量是通过第一次充电时li2o与li2/3mn1/3o5/6之间的反应实现的,其中具有电化学活性的li2o充当li 供体。通过在正极混合物中仅添加2%的纳米复合材料,lifepo4和licoo2的第一次充电质量比容量增加了13%。这一结果表明,这些新发现的牺牲添加剂在抵消锂离子的初始损失和改善电池性能方面具有巨大的潜力。


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mariadiaz-lopez, philip a. chater, pierre bordet, melanie freire, christian jordy,oleg i. lebedev, valerie pralong. li2o:li–mn–odisordered rock-salt nanocomposites as cathode prelithiation additives forhigh-energy density li-ion batteries. advanced energy materials 2020,1902788.

doi:10.1002/aenm.201902788

https://doi.org/10.1002/aenm.201902788

 

6. aem: p2-k0.75ni1/3mn2/3o2正极助力高功率长寿命钾离子电池

近年来,钾离子电池由于具备与现有锂离子电池类似的电化学机制以及潜在的成本优势而成为储能领域的新宠。然而,钾离子电池的实际应用由于可选择的电极材料较少而受到一定局限。最近,韩国世宗大学的jongsoon kimseung-taek myung等利用简单的离子交换法以p2-na2/3 ni1/3mn2/3o2为原料制备出了p2-k0.75ni1/3mn2/3o2材料并将其用作高性能钾离子电池正极材料。在20ma/g的电流密度下该材料的可逆放电比容量高达110mah/g且循环300周后的容量保持率高达86%。

 

在1400ma/g的电流密度下该材料能够实现90mah/g的可逆比容量,因此其倍率性能也令人满意。研究人员根据理论计算和实验结果证实在充放电过程中该材料会发生ni4 /ni2 电对的可逆转化,并伴随着晶格变化很小的单相反应。优异的倍率性能得益于k 在p2-k0.75ni1/3mn2/3o2材料中的扩散势垒只有220mv。该成果表明p2- k0.75ni1/3mn2/3o2材料有望成为可实用化得而高倍率长寿命钾离子电池正极材料。


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jaehyeon jo, jongsoon kim and seung-taek myung et al, p2‐k0.75[ni1/3mn2/3]o2 cathode material for high power and long lifepotassium‐ion batteries, advanced energy materials,2020

doi: 10.1002/aenm.201903605

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903605?af=r

 

7. aem: 消除过渡金属迁移与阴离子氧化还原来研究富锂材料的电压滞后

富锂层状氧化物正极材料有望将锂离子电池的能量密度提升到高于300wh/kg。然而,电压之后与电压衰减等问题严重限制了富锂层状氧化物的实际应用。在常规富锂正极材料中,高电位下锂离子脱出时会同时发生过渡金属的迁移和阴离子氧化还原,这些复杂因素互相纠缠而难以区分各个问题的来源。最近,中科院物理所的王兆翔研究员选择li2moo3这种富锂氧化物作为模型材料来对其电压滞后现象进行研究。之所以选择li2moo3材料是因为该材料在3.6v以下不会发生过渡金属的迁移和阴离子的氧化还原反应,因而能够消除来自这两方面的干扰。

 

研究人员利用粉末中子衍射、扫描电子显微镜、同步辐射x射线吸收光谱和密度泛函理论计算等发现,在首周电化学循环中外层mo迁移诱发的mo3o13团簇的无序-有序转变是造成电压滞后的主要原因。这种电压滞后在没有阴离子氧化还原和内层mo原子迁移的情况下一样能够发生。类似的现象在其异构体li2ruo3中也可以发现。该研究结果对于理解其他复杂富锂层状氧化物的电压滞后现象十分重要。


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miaohan, zhaoxiang wang et al, eliminating transition metal migration and anionicredox to understand voltage hysteresis of lithium-rich layered oxides, advancedenergy materials, 2020

doi: 10.1002/aenm.201903634

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201903634

 

8. acs energy lett.:量化li2mno3活化过程中的容量贡献

kalyani等人最初认为li2mno3在电化学上是不活跃的,然而,结果证明li2mno3可以在充电过程中提供足够的容量。后来,罗伯逊(robertson)和布鲁斯(bruce)揭示了如何通过使用纳米级颗粒激活li2mno3。观察到li2mno3的活化催生了一类新的富锂层状化合物,其提供的容量超出了传统过渡金属氧化还原极限。尽管已经对富锂化合物中氧的氧化还原理解有了进展,但对li2mno3初始电荷容量的潜在来源仍存在激烈的争论。

 

为了解决这个问题,宾厄姆顿大学louis f. j. piper回顾了所有可能的电荷补偿机制,包括本体氧氧化还原、mn4 氧化和显示容量超过350 mah g-1的li2mno3正极的表面降解。利用元素和轨道选择性x射线光谱技术,排除了活化li2mno3过程中mn4 氧化和本体氧氧化的可能。定量气体演化和滴定研究表明,在活化过程中,o2和co2的释放占了观察到容量的很大一部分,而表面上mn物种减少的贡献很小。这些研究表明,尽管人们认为li2mno3对于促进富锂层状氧化物中的本体阴离子氧化还原至关重要,但li2mno3本身并不会在其初始mn4 以上显示出本体氧氧化还原或锰氧化。简而言之,lr-nmc纳米复合材料中的li2mno3组分可作为过量锂离子的储存库,通过利用固有的tm-o价键驱动的本体氧的氧化还原作用,实现超越传统过渡金属(tm)氧化还原的容量。


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jatinkumarrana, joseph k. papp, zachary lebens-higgins, mateusz j. zuba, lori kaufman,anshika goel, richard schmuch, martin winter, m. stanley whittingham, wanliyang, bryan d. mccloskey, louis f. j. piper. quantifying the capacitycontributions during activation of li2mno3acs energyletters 2020.

doi:10.1021/acsenergylett.9b02799

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b02799

 

9. acs nano:v2ctxmxene的相变过程极大提升水系锌离子电池的电化学性能

在任何电池中电极的非电池行为相关的相变通常是不利的,因为它始终会导致性能下降。近日,中国香港城市大学支春义中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄庆等人演示了一个锌混合离子电池(zhib),即使使用v2ctx mxene作为正极,其容量甚至可以在18 000个周期内都有不寻常的提高,这与所有报道的同类产品都大不相同,它们在数百个周期内就开始出现容量下降。确定的主要机制是mxene分层和循环过程中意想不到的相变。原始正极和二次衍生物都同时对容量作出贡献,从而导致容量异常增加。

 

因此,实现了508 mah g-1的比容量(在所有报告的水性锌离子电池中最高)和386.2 wh kg-1的高能量密度。而且,所制造的准固态电池可以在-20°c以及弯曲,扭曲,刺伤和切割的情况下稳定输出。他们的工作带来了一种有效的方法,即利用通常应避免使用的“不稳定”电极材料来实现电池性能的不断提高。可以同时使用原始材料和辅助材料进行能量存储的想法,为实现电池循环稳定性提供了一种新的思路。


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xinliangli, mian li, qi yang, hongfei li, hailong xu, zhifang chai, ke chen, zhuoxinliu, zijie tang, longtao ma, zhaodong huang, binbin dong, xiaowei yin, qinghuang, chunyi zhi, phase transition induced unusual electrochemical performanceof v2ctx mxene for aqueous zinc hybrid-ion battery, acs nano 2020

doi:10.1021/acsnano.9b06866

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06866

 

10. angew:锌/有机电池的质子插层化学

由于锌负极具有较低的氧化还原电位(−0.76 v vs标准氢电极)、较高的比容量(820 mah g−1)、优异的水稳定性和较低的成本,可充电的水系锌离子电池(zibs)正受到越来越多的关注。zibs的电化学性能主要取决于正极材料的设计。近年来,已开发出多种活性材料,例如过渡金属氧化物或硫化物、普鲁士蓝类似物和有机化合物作为水系zibs的正极材料。其中,有机材料因其可再生性、环境友好性、低成本和结构多样性而被认为是一个有前途的候选材料。此外,由于h 嵌入/脱出的快速动力学,可充电水系zibs中的质子存储引起了广泛的关注。但是,到目前为止,其在具有温和电解质的有机材料基锌离子电池中仍无法实现。

 

基于此,南开大学牛志强教授等人在温和的电解质中开发了二喹喔啉并[2,3-a:2',3'-c]吩嗪(hatn)基的水系zibs。电化学和结构分析首次证实,这种zn/hatn电池经历了h 的嵌入/脱出行为后,hatn的结构演变高度可逆。h 的嵌入/脱出使zn/hatn电池具有增强的电化学性能。质子插层化学将拓宽水系锌/有机电池的应用范围,并为构建高性能zibs开辟新的机遇。


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zhiweitie, luojia liu, shenzhen deng, dongbing zhao, zhiqiang niu. proton insertionchemistry of zn/organic battery. angewandte chemie international edition 2020.

doi:10.1002/anie.201916529

https://doi.org/10.1002/anie.201916529

 

11. angew:具有显著k 离子存储能力的碳负极的位置选择性掺杂策略

 石墨的钾离子插层能力有限,阻碍了钾离子电池(pib)的发展。边缘氮掺杂(吡咯和吡啶)已被证明是增强碳质材料中钾离子存储的有效途径。现有方法的一个主要缺点是缺乏对生产边缘氮结构的精确控制。在这项工作中,阿卜杜拉国王大学的husam n. alshareef等人提出了一种分子尺度的共聚物热解策略,以精确控制碳质材料中的边缘氮掺杂。

 

该研究的优化工艺得到了缺陷丰富的边缘氮掺杂碳(endc),其氮掺杂水平高达10.5 at. %,高边缘氮比为87.6%。优化后的endc具有高可逆容量,达到423 mah g-1,高初始循环效率为65%,优越的移动能力,长循环寿命(3个月后的保留率93.8%)。这种通过共聚物的热解的边缘氮控制策略可以扩展用来设计其他边缘杂原子的富碳原子,从而有效地用于储存各种移动离子。


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wenlizhang, zhen cao, wenxi wang, eman alhajji, abdulhamid emwas, pedro costa, luigicavallo, and husam n. alshareef. site-selective doping strategy of carbonanodes with remarkable k-ion storage capacity. angew. chem. int. ed.10.1002/anie.201913368.

doi:10.1002/anie.201913368

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201913368

 

12. aem: 高性能钠电碳负极多重活性位点的精准调控,深入剖析电容贡献机制

杂原子掺杂被公认为是最容易打破碳质材料对钠存储的电容限制的策略。然而,储钠反应期间的具体作用,特别是对于杂原子相变,仍然是一个令人困惑的话题。在此,华中科技大学王得丽教授等人提出了一种新颖的超交联聚合方法,该方法可制备吡咯/噻吩超交联的微孔共聚物,并进一步为多孔碳质材料提供与起始进料比相对应的n/s双掺杂精确调节方法。重要的是,n掺杂有助于导电性和表面润湿性,而s掺杂则被用于桥接以建立稳定的活性位点,可以通过法拉第反应将其电化学转化为硫醇阴离子并进一步增强可逆容量。

 

同时,大量的s掺杂还可以扩大层间间距,缩短离子的扩散距离,从而优化反应动力学。结果表明,n0.2s0.8微细掺杂多孔碳在100 mag-1时可提供最高521 mah g-1的可逆容量,在2000 ma g-1时在2000次循环中具有出色的循环稳定性,且容量衰减每个周期0.0145 mah g-1的电量。预期这项工作将提供对电容贡献的深入了解,并阐明掺杂碳负极的储钠反应时的杂原子相变过程。


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yunlu, jianing liang, yezhou hu, yi liu, ke chen, shaofeng deng, deli wang,accurate control multiple active sites of carbonaceous anode for highperformance sodium storage: insights into capacitive contributionmechanism, adv. energy mater 2020

doi:10.1002/aenm.201903312

https://doi.org/10.1002/aenm.201903312

 

13. ees: 搭载sno2纳米颗粒的泡沫碳用作高性能钾离子电池的自支撑阳极

由于丰富的钾存量和钾的低价格,钾离子电池非常有希望取代锂离子电池用于大规模储能。但是由于钾离子的半径比较大,寻找具有高容量和优异循环性能的钾离子电池的电极材料仍是一个挑战。鉴于此,北京大学侯仰龙教授团队发展了一种简便的电沉积的策略将sno2纳米颗粒搭载在三维泡沫碳上(表示为sno2@cf)用作高性能钾离子电池的自支撑电极。

 

所得的sno2@cf材料具有三维的导电性碳骨架可以显著提高电子的转移,阻止sno2纳米颗粒由于充放电过程中体积变化造成的脱落。此外,还可以促进电解液的和钾离子的转移。基于以上优点,sno2@cf表现出高的容量和优异的循环性能(400个循环后仍有231.7 ma h g-1)和倍率性能(在0.5, 1, 2 和 5 a g-1电流密度下容量分别为371.4, 307.6, 247.3和143.5 ma h g-1)。同时,作者还跟踪了在钾离子电池充放电的过程中sno2@cf电极的相变过程。


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qiu h, zhao l, huang x, et al. sno2nanoparticles anchored on carbon foam as freestanding anode for highperformance potassium-ion batteries. energy & environmental science, 2020.

doi: 10.1039/c9ee03682b

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ee/c9ee03682b

 

14. am:调控形貌,缺陷和结构来提高钠/钾离子电池的倍率和循环性能

碳基材料由于其良好的化学稳定性,高电导率和环境友好性,被认为是钠离子电池(sib)和钾离子电池(pib)的最有前景的负极材料。然而,由于钠和钾离子的尺寸大,开发出具有高可逆容量,长循环寿命和高倍率能力的碳负极材料有着巨大的挑战。为了应对这一挑战,东华大学wei luo中国科学技术大学余彦教授等人通过合理的设计,成功地合成了n掺杂的3d介孔碳纳米片(n-cns),可以实现sib和pib前所未有的电化学性能。n-cns具有超薄的纳米片结构,分层的孔洞结构,超高水平的吡啶n/吡咯烷n比例和极大的层间距离。

 

表现出了优异的na/k离子嵌入/脱嵌动力学能力,具有缩短离子和电子的扩散距离以及适应体积变化等功能。因此,基于n-cns的钠电在5 a g-1循环10000次后时可提供239 mah g-1的高容量,而在钾电中5 a g-1下循环5000次后时可提供321 mah g-1的高容量。第一性原理计算表明,吡啶n/吡咯n的超高掺杂比例可以调节碳表面的电荷密度分布,有助于增强钠和钾离子电池的性能。


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huijuanhuang, rui xu, yuezhan feng, sifan zeng, yu jiang, huijuan wang, wei luo, yanyu, sodium/potassium‐ion batteries: boosting therate capability and cycle life by combining morphology, defect and structureengineering, adv. mater.2020

doi:10.1002/adma.201904320

https://doi.org/10.1002/adma.201904320

 

15. aem: 中空cus纳米盒用作高倍率长寿命锂金属电池无锂态正极材料

转化反应机制的过渡金属硫化物有望成为构建高比能锂金属电池时最受欢迎的无锂态正极材料。然而,过渡金属硫化物正极材料的发展受到其倍率性能较差、循环性能不佳等问题的限制。最近,中国科学技术大学的shuhong jiao北京大学的dongsheng xu等人利用cus纳米盒的中空结构来抑制其充放电循环过程中的体积膨胀并促进锂离子传输。

 

得益于这种中空结构,这种cus纳米盒能够表现出优异的倍率性能(在20c下约371mah/g的可逆放电比容量)和超长的循环寿命(超过1000周)。研究人员利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜以及x射线光电子能谱等手段对cus正极在循环过程中的结构和价态变化进行了分析。此外,研究人员还利用恒电流滴定技术和原位拉曼光谱对其储锂的电化学机制进行了研究。该研究结果表明中空结构的cus正极是构建高比能锂金属电池的良好选择。


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yaweichen, shuhong jiao, dongsheng xu et al, hollow cus nanoboxes as li‐free cathode for high‐rate and long‐life lithium metal batteries, advanced energy materials, 2020

doi: 10.1002/aenm.201903401

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903401?af=r

 

16. aem: 利用杂化水系/非水系电解液发展安全可持续双离子电池

近日,德国明斯特大学的martin wintertobias placke等利用水溶液-非水溶液杂化电解质新开发了一种新型双离子电池概念。这种双离子电池采用不燃的water-in-salt电解质保证了电池的安全性,采用非水溶剂在负极表面形成一层保护层提高了其阳极稳定性,通过使用石墨基正极材料改善了电池整体的可持续性。

 

研究人员采用非原位x射线衍射手段证实了该双离子电池能够在水系电解液中形成由tfsi-阴离子构成的二级受体型石墨插层化合物。研究人员发现负极材料的选取对于双离子电池的电化学性能有着重要的影响:使用石墨负极能够在200ma/g的电流密度下释放出高达40mah/g的比容量。不过,即便选取磷酸太锂和钛酸锂这两种负极材料也能表现出特定的优势。总之,该工作将环保性、无过渡金属、安全性以及丰富的原料来源等优势成功地结合到了一起,这为新型双离子电池的发展扫清了障碍。


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jensmatthies wrogemann, martin winter and tobias placke et al, development of safeand sustainable dual‐ion batteries through hybridaqueous/nonaqueous electrolytes, advanced energy materials, 2020

doi: 10.1002/aenm.201902709

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902709?af=r

 

17. ees: 三维na 扩散机制助力超高倍率离子凝胶钠离子微电池

微电子器件与系统的迅速发展为高性能低成本微电池的设计与开发提出了很高的要求。尽管钠离子微电池具有很大的应用潜力,但是有关钠离子微电池的研究还很少。最近,中科院大连化物所的吴忠帅研究员中国科学技术大学的余彦教授等将钛酸钠负极与磷酸钒钠正极集成在三维石墨烯骨架中制作出了一种准固态无隔膜平板式钠离子微电池。该电池使用的电解质是基于nabf4的离子凝胶,其离子电导率高达8.1ms/cm。

 

得益于微电池的平板构造、赝电容储能机制以及三维互通的钠离子传输网络,该钠离子微电池在1c的电流密度下能够实现高达30.7mah/cm3的体积比容量,室温下在30c的超高倍率下能够实现高达15.7mah/cm3的体积比容量,在100℃下在100c的超高倍率下能够实现高达13.5mah/cm3的体积比容量。此外,这种钠离子微电池表现出优异的柔性和可调控的电压以及高达55.6mwh/cm3的高体积能量密度。该工作为设计可用于微电子器件的钠离子微电池提供了可供参考的样板。


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shuanghaozheng, zhongshuai wu, yan yu et al, ionogel-based sodium ion micro-batterieswith 3d na-ion diffusion mechanism enable ultrahigh rate capability, energy& environmental science, 2020

doi:10.1039/c9ee03219c

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03219c#!divabstract

 

18. afm综述:先进钠离子电池有机电极材料的合成、机制、挑战与展望

可充钠离子电池被视为能够替代锂离子电池实现可持续高效大规模能量储存。近年来,使用环境友好型的有机材料作为电极材料的有机钠离子电池由于具备高能量密度、高功率密度、结构可调性等优势而备受瞩目。不过,有机电极材料同时有着低电导率、较差的稳定性和在电解液中的易溶性等劣势,因而其实际应用受到了很大的局限。

 

最近,上海大学可持续能源研究院的赵玉峰教授等对近年来从小分子到有机聚合物等有机钠电电极材料的研究进展进行了概括总结。文章重点关注有机分子结构的设计与修饰、电极材料的电化学行为以及相关储能机制。作者特地从功能导向的分子结构设计、电极材料微型貌的调控以及无机-有机复合物的构建这三个方面对有机钠离子电池电极材料发展中面临的挑战进行了概述。最后,作者对有机钠离子电池电极材料的发展机遇进行了展望。


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xiupingyin, yufeng zhao et al, recent progress in advanced organic electrode materialsfor sodium-ion batteries: synthesis, mechanisms, challenges and perspectives,advanced functional materials, 2020

doi: 10.1002/adfm.201908445

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201908445?af=r

 

19. ees综述:有机钠电材料的储钠机理—问题与方案

有机电极材料为发展高功率/高比能、低成本、环境友好型钠离子电池提供了更多的机会。不过,由于无机电极材料在锂离子电池中取得了巨大成功,人们对于钠离子电池电极材料的研究重点通常放在无机材料中而对于有机电极材料这一领域研究相对较少。然而,近年来有机材料作为钠离子电池正极材料和负极材料的研究都取得了极大的进展。

 

在本文中,中南大学化学化工学院的唐有根教授王海燕副教授对不同种类有机电极材料的储钠机制进行了概括总结并提出了自己的观点。他们认为有机电极材料的氧化还原机制对于其电化学性能起着主导性作用。同时,深入了解有机电极材料的电化学性质不仅对于设计新型材料/电极具有重要意义,而且有利于优化现有电极材料的性能。


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ranjusharajagopalan, yougen tang, haiyan wang et al, understanding the sodium storagemechanisms of organic electrodes in sodium ion batteries: issues and solutions,energy & environmental science, 2020

doi: 10.1039/c9ee03637g

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/c9ee03637g

 

20. acs energy letters:金属有机化合物中多活性位点与分级化学键的协同效应提升正极性能

金属有机正极材料由于具有低可溶性和经济高效的合成手段等优势在诸多有机电极材料中的备受关注。不过,其氧化还原反应由于严重依赖有机官能团和金属团簇的活性而导致电压和放电容量都十分有限。最近,上海硅酸盐研究所的jianjun liu等利用第一性原理计算发现cu2(p-o2nc6h4co2)4(eto)2这种金属有机化合物能够实现243mah/g的放电容量并表现出3.66、3.15、2.25和2.08四个电压平台。

 

研究人员对其电子结构进行分析,发现其发生氧化还原反应的活性位点是金属-配体单元中的cu2 -cux 、oy—o2-以及-no2官能团中的n5 -nx和o2—oz-等。多活性位点和分级化学键能够促进阴阳离子共同参与氧化还原反应。此外,研究人员利用计算发现cu2(p-o2nc6h4co2)4(eto)2具有良好的电化学可逆性,这是因为阳离子转化反应受到高压下阴离子反应分级化学键的抑制。该工作为设计具有高性能的金属有机化合物提供了参考。


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xiaolinzhao, jianjun liu et al, cooperative effect of multiple active sites and hierarchicalchemical bonds in metal–organic compounds forimproving cathode performance, acs energyletters,2020

doi: 10.1021/acsenergylett.9b02630

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02630

 


21. nature materials: 厘清固态电解质中氧化还原活性与电化学稳定性之间的关系!

全固态锂离子电池为实现更高体积能量密度和重量能量密度的储能行为提供了安全保障。不过,到目前为止由于对于固态电解质认识不足,研究人员十分关心固态电解质有限的电化学稳定性及其对电化学反应的不利影响。最近,荷兰代尔夫特理工大学的swapnaganapathymarnixwagemaker等人发现对于辉绿岩型、石榴石型和nasicon等固态电解质来说,最有利的分解途径是其间接锂化而不是直接分解为热力学最稳定的产物。

 

这种间接分解途径导致固态电解质的电化学稳定窗口比直接分解方法所预测的窗口要宽一些,这也就解释了人们在实验中观察到的电化学稳定态的固态电解质。此外,研究人员还发现锂化态的介稳态辉绿石型固态电解质相对于全固态锂电池的可逆或不可逆容量有一定的贡献,这说明其具有一定的氧化还原活性。该研究结果对固态电池的界面和材料设计具有指导意义。


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tammok. schwietert, swapna ganapathy, marnix wagemaker et al, clarifyingthe relationship between redox activity and electrochemical stability in solidelectrolytes,nature materials, 2020

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0576-0

 

22. nat. nanotechnol.:锂离子电池固态电解质sei的实时质谱表征

sei膜决定了大多数电池的性能,但是由于缺乏原位检测工具,研究者们对其化学和结构的理解受到了限制。近日,美国陆军研究实验室许康、美国太平洋西北国家实验室zhijie xu、chongmin wang等人在锂离子电池操作中使用液体二次离子质谱结合分子动力学模拟提出了sei形成的动态图像。

 

作者发现在任何相间化学反应发生之前(在初始充电期间),由于溶剂分子的自组装,在电极/电解质界面上形成了一个电双层,双电层的形成会受锂离子和电极表面电位的影响。这种双层结构预示了最终的相间化学,带负电的电极表面从内层排斥盐阴离子并产生内部sei膜(本质上是薄的、致密的和无机的)。正是这种致密层负责传导li 和绝缘电子,这是sei的主要功能。在内层形成后出现一层具有电解质渗透性且富含有机物的外层。在高浓度、富氟的电解质存在下,由于双层中存在阴离子,sei内层的lif浓度升高。这些实时纳米尺度的观测将有助于为未来的电池设计更好的中间相。


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yufanzhou, mao su, xiaofei yu, yanyan zhang, jun-gang wang, xiaodi ren, ruiguo cao,wu xu, donald r. baer, yingge du, oleg borodin, yanting wang, xue-lin wang,kang xu, zhijie xu, chongmin wang & zihua zhu. real-time mass spectrometriccharacterization of the solid–electrolyte interphase of alithium-ion battery. nature nanotechnology. 2020

doi: 10.1038/s41565-019-0618-4

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0618-4

 

23. acs energy lett.:用于全固态锂离子电池的高压超离子卤化物固体电解质

采用无机固体电解质(ses)的大容量全固态锂离子电池(assbs)被认为是大型储能设备的潜在候选者,因为它们消除了液体成分并有望将锂金属用于负极进一步提高能量密度。硫代磷酸盐基材料很受欢迎,但是这些硫化物的负极稳定性差,并且需要在锂金属氧化物正极上进行特殊涂层。此外,针对高能量密度的电极设计受到其狭窄的电化学稳定窗口的限制。考虑到对ses的多种要求,包括高离子导电性、延展性以及氧化稳定性,认为氯化物是最合理的选择之一。

 

在此,滑铁卢大学linda f. nazara等人报道了一种新的混合金属卤化物li3-xm1-xzrxcl6(m=y、er)ses,其在25 °c时具有高达1.4 ms cm−1的高离子电导率,并且对高压稳定。zr取代m(m=y、er)时,伴随着三角向正交晶系的相变,中子衍射和单晶xrd的结合使用揭示了一个新的框架。这些氯化物ses出色的电化学氧化稳定性直接在全电池中得到了证实,这使得可以使用未涂覆任何保护性涂层的4 v级正极材料而没有任何明显的氧化界面分解。assbs展示了其优越的性能,在室温下高达4.5 v的循环稳定性使该电解质具有良好的前景。这些进展为assbs的实用设计带来了重要突破。


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kern-hopark, kavish kaup, abdeljalil assoud, qiang zhang, xiaohan wu, linda f. nazar.high voltage superionic halide solid electrolytes for all-solid-state li-ionbatteries. acs energy letters 2020.

doi:10.1021/acsenergylett.9b02599

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02599

 

24. angew: 热分解气相沉积无定形碳层实现稳定的li-石榴石型固态电解质界面

使用无机固态电解质的全固态锂电池具有高能量密度、高安全性等优势因而被视为新一代高比能二次电池的最佳选择。不过,无机固态电解质与金属锂负极之间存在着很大的界面阻抗,这对于全固态锂电池的长期工作十分不利。构建界面层是解决金属锂与石榴石型无机固态电解质之间界面阻抗的有效策略。然而,通常的界面中间层对于界面处疏锂的li2co3、lioh等污染物的消除不是很有效。

 

最近,复旦大学夏永姚教授团队利用热分解气相沉积手段在li6.75la3zr1.75ta0.25o12(llzto)固态电解质表面制备了一种无定形碳层实现了无污染的li-固态电解质界面。借助于碳层的保护,llzto电解质的空气稳定性也得到了显著提升。由于这种方法制备的碳层石墨化程度比较低,因此其亲锂性较强,比表面界面阻抗也降至9ω/cm2。在热分解气相沉积的过程中,li的挥发和la4 的还原也得到了控制。与石墨化程度较高的碳层相比,这种低石墨化程度的无定形碳中间层修饰后的固态锂电池临界电流密度提高到了1.2ma/cm2。同时,其锂沉积-剥离行为和极化电压也十分平稳。


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wuliangfeng, yongyao xia et al, li/garnet interface stabilization by thermal‐decomposition vapor deposition of an amorphous carbon layer,angewandte chemie international edtion, 2020

doi: 10.1002/ange.201915900

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201915900?af=r

 

25. am:单离子导电硼酸盐网络聚合物可作为锂金属电池的准固态电解质

几十年来,锂离子电池一直是最先进的电化学储能技术,但其能量密度受到电极材料的限制,而传统的液态电解质可能会带来严重的安全问题。以锂金属负极、固体聚合物电解质和高电压正极为代表的锂金属电池是下一代设备的有希望的候选者,表现出更高的功率和安全性,但是这种固体聚合物电解质通常不同时表现出所需的优异电化学性能和热稳定性。

 

基于此,加州大学伯克利分校jeffrey r. long等人报道了一种具有弱配位阴离子节点的互穿网络聚合物,其在最少增塑剂存在下作为高性能单离子导电电解质,具有宽的电化学稳定性窗口、1.5×104 s·cm-1的高室温电导率和优异的锂离子传导选择性(tli =0.95)。重要的是,这种材料还具有阻燃性,与锂金属接触时具有很高的稳定性。值得注意的是,含有这种准固态电解质的锂金属电池比具有聚合物电解质的传统电池表现更好。


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dong‐myeong shin, jonathan e. bachman, mercedes k. taylor, jovan kamcev,jesse g. park, michael e. ziebel, ever velasquez, nanette n. jarenwattananon,gurmukh k. sethi, yi cui, jeffrey r. long. a single‐ionconducting borate network polymer as a viable quasi‐solidelectrolyte for lithium metal batteries. advanced materials. 2020

doi: 10.1002/adma.201905771

https://doi.org/10.1002/adma.201905771

 

26. am综述:有机固态电解质在高比能锂金属电池中的机遇与挑战

随着人们对于便携式电子设备和电动汽车等储能器件的安全性和容量的要求越来越高,当前储能技术的发展面临着诸多挑战。尽管人们已经开发出很多可替代的电池体系,但是锂电池仍然是被视作储能器件的最佳选择。然而,现在色商品化锂电池存在着容量较低、循环稳定性不佳以及潜在的安全隐患等诸多问题。

 

因此,开发和设计兼具高容量、高安全性、长寿命的新型电化学材料成为了储能领域的热点。在本综述中,澳大利亚迪肯大学的xiaoen wangpatrick c. howlett等概括总结了有机电解质在安全长效固态锂电池中的应用。作者从离子电导率以及固态有机电解质的设计原则等入手,概括了发展用于锂金属负极和高压正极的有机固态电解质的策略。最后,作者对新型固态电解质的发展前景进行了展望。


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xiaoenwang, partrick c. howlett et al, toward high-energy-density lithium metalbatteries: opportunities and challenges for solid organic electrolytes,advanced materials, 2020

doi:10.1002/adma.201905219

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905219

 


27. nature nanotech.: 液态和固态硫具有不同的面容量

锂硫电池由于其较高的理论比能量和较低的成本而被视为下一代锂电池。锂硫电池中元素态硫s8的熔点为 115°c,室温下一般以固态形式存在。而近期有研究指出,在电化学电池中,元素硫能够在过冷条件下保持液态。有鉴于此,斯坦福大学崔屹教授课题组通过原位研究,考察了液态硫可能对锂硫电池产生的影响。通过进行电化学生成硫的原位研究,研究人员发现在相同的充电时间段内,液体(过冷)和固体单质硫的面容量具有极大差异。为了控制硫的物理状态,研究人员探索了硫在二维层状材料上的生长。

 

研究发现,当二维层状材料较厚时,表面形成液态硫,边缘生成固态硫。dft计算表明,这是因为s8和mos2基底之间的结合力只有0.64 ev,这种弱的结合力赋予界面不可润湿性,使得异相成核受到阻碍,从而确保硫在过冷情况下的液态。当施加电压时,mos2边缘处具有更高的电场强度,降低了异质成核阻碍,促进了元素硫的产生和局部硫的过饱和,从而驱动硫从边缘润湿和结晶。而当二维层状材料较薄时,譬如单层状态下,无论是边缘还是表面都只会生产液态硫,这可能是因为单层厚度不足以支撑成核的发生。这项研究系统研究了二维材料上不同物理状态的硫的生长行为,并研究了硫的物理状态与面容量的关系,为锂硫电池的设计开发提供了新的认知。

 

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ankunyang et al. electrochemical generation of liquid and solid sulfur ontwo-dimensional layered materials with distinct areal capacities, naturenanotechnology, 2020.

doi:10.1038/s41565-019-0624-6

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0624-6

 

28. am:具有高效机制的高动力学硫正极用于制造优越的室温钠-硫电池

室温下钠硫电池(rt-na/s)的应用目前受到硫的绝缘特性、硫与钠的缓慢氧化还原动力学以及多硫化钠的溶解和迁移等多种因素的限制。中国科学院宁波材料技术与工程研究所的huanminglu 卧龙岗大学的yunxiao wang&shu-lei chou以及温州医科大学的yong liu等人提出了一种新型的微米级分层s正极,该正极由原位生长在碳纳米管中的fes2电催化剂支撑。

 

分级碳基可以为多硫化物提供多种物理夹带,且fes2纳米颗粒具有低钠离子扩散势垒、强结合能和高聚硫化钠亲和力。它们的结合使其成为固定多硫化物并实现多硫化物向na2s可逆转化的理想硫源。重要的是,分级s正极通过廉价和绿色喷雾干燥方法适合大规模生产。多孔分层s正极提供高含硫量的65.5 wt %,并能提供较高的可逆容量(在0.1 ag-1时,超过300周期循环达到524 mah g-1 )和杰出的迁移能力(在1 a g-1 达到850周期循环,为395 mah g-1),在科学研究和实际应用中提供了广阔的前景。


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zichaoyan, yaru liang,jin xiao,weihonglai,wanlin wang,qingbing xia,yunxiao wang,qinfen gu,huanming lu,shu‐leichou,yong liu,huakun liu,shi‐xue dou. a high‐kinetics sulfur cathode with ahighly efficient mechanism for superior room‐temperaturena–s batteries. advanced materials.

doi: 10.1002/adma.201906700

https://doi.org/10.1002/adma.201906700

 

29. afm:多功能壳聚糖-rgo网络粘结剂,可增强li-s电池的循环稳定性

锂硫电池(lsbs)作为下一代储能设备,由于其丰富的储量、低成本、高理论比容量(1675 mah g−1)和理想的能量密度(2600 wh kg−1)等优点,引起了人们极大的研究兴趣。尽管lsbs具有明显的优点,但其研究仍面临诸多挑战,如多硫化锂(lps)的溶解和扩散所产生的穿梭效应、s/li2s的绝缘性质以及s在充放电过程中的体积膨胀等。为了解决这些问题,需要探索创新设计的s正极和粘结剂,以提高其结构稳定性与快速离子/电子通道,并抑制lps的穿梭效应。

 

在此,韩国成均馆大学youngkwan lee等人引入了一种由壳聚糖和氧化石墨烯(rgo)组成的新型多功能网络粘结剂,以增强li-s电池的电化学性能。壳聚糖与氧化石墨烯在水溶液中反应,形成均匀的网状结构,通过捕获多硫化锂有效增强氧化还原体系,增强其机械性能,并允许电子电导通过粘结剂系统。基于协同关系的壳聚糖-还原氧化石墨烯网络粘结剂在1 c倍率下的1000个循环中,每个循环的容量衰减率为0.016%。这些协同效应通过壳聚糖-rgo网络的形成得以实现,可用于能源存储设备和高性能li-s电池的绿色友好商业应用。


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soochankim, misuk cho, youngkwan lee. multifunctional chitosan–rgo network binder for enhancing the cycle stability of li–s batteries. advanced functional materials 2020,1907680.

doi:10.1002/adfm.201907680

https://doi.org/10.1002/adfm.201907680

 

30. am: 超薄mof纳米片上的单原子阵列提高li-s电池安全性与寿命

li-s电池的发展受到锂枝晶生长与多硫化物扩散的限制。为了同时解决正负极这两个问题,北京大学的郭少军教授最近发现在基于mof纳米片的双重隔膜上构建单原子阵列能够有效提高li-s电池安全性并延长循环寿命。在该隔膜中,规则排列的co原子与o原子发生配位后暴露在mof纳米片的表面,li 能够通过与o原子之间的相互作用实现负极-界面上的离子流均匀分布,从而实现稳定的li沉积-剥离。

 

同时,在正极一侧,co单原子阵列能够通过路易斯酸碱相互作用抑制多硫化物的穿梭。因此,使用这种双功能单原子阵列的隔膜使得li-s扣式电池稳定循环超过600周,平均每周循环衰减率低至0.07%。即使在高达7.8mg/cm2的高载量下,该电池循环200周后的容量仍然高达5.0mah/cm2。此外,li-s软包电池在多种弯曲角度下也能够表现出杰出的循环稳定性,说明该策略具有使用潜力。


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yijuli, shaojun guo et al, single atom array mimic on ultrathin mof nanosheetsboosts the safety and life of lithium–sulfur batteries, advancedmaterials, 2020

doi: 10.1002/adma.201906722

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201906722?af=r

 

31. am: 具有强催化能力的多硫化物阻隔层中的氧空位工程

li-s电池的实际应用受到其穿梭效应、低电子电导率、低硫载量等问题的制约。最近,武汉理工大学的麦立强教授许絮等通过第一性原理计算发现向tio2中引入氧空位不仅能够增强其对于多硫化物的吸附能力,而且能够显著改善其催化能力和离子/电子传导能力。

 

他们将含有氧空位的tio2纳米片修饰在商品化聚丙烯隔膜上将其作为li-s电池中多硫化物的阻塞层(ovs-tio2@pp)。这层tio2修饰层的厚度仅为500nm,面载量约0.12mg/cm2,因此能够在保证电池内部离子传输的同时不损失能量密度。在使用ovs-tio2@pp隔膜的高载量(7.1mg/cm2)li-s电池中,在2c的倍率下该电池能够稳定循环500周。循环100周后的电池面容量为5.83mah/cm2。这种氧空位工程的策略有望在li-s电池中实现大规模应用。


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zhaohuaili, xu xu, liqiang mai et al, engineering oxygen vacancies in a polysulfide‐blocking layer with enhanced catalytic ability,advanced materials, 2020

doi: 10.1002/adma.201907444

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907444?af=r

 

32. acs energy lett.:改变硫化学反应的电化学途径,以提高na-s电池的能量密度并降低穿梭效应

由材料丰富、成本低廉的材料制成的高能量密度电池在用于电力运输和电网的大规模能量存储系统中至关重要。在众多的电池技术中,由于钠和硫的化学成分丰富且成本极低,钠化学和硫化学在过去的几十年里引起了广泛的关注。然而,高温钠硫电池(ht-na/s)的应用受到了极大的阻碍,因为人们担心高温(>300 °c)、高反应性液体钠以及刚性固体电解质的机械失效会影响电池的安全性和成本。近年来,室温钠硫(rt-na/s)电池因其较高的理论能量密度、较高的安全性和较低的成本引起了人们的关注。

 

在此,美国陆军实验室许康olegborodin弗吉尼亚理工学院州立大学zheng li合作证明了通过设计额外的氧化还原活性,从本质上改变硫基正极的反应途径,可以同时抑制多硫化物的穿梭,并提高能量密度。提出了一种新型的室温na-s电池杂化硫-氧化学反应,通过在纳米尺度上形成nao2-na2sn(1


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sanpeizhang, travis p. pollard, xu feng, oleg borodin, kang xu, zheng li. alteringelectrochemical pathway of sulfur chemistry with oxygen for high energy densityand low shuttling in na-s battery. acs energy letters 2020.

doi:10.1021/acsenergylett.9b02746

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b02746

 


33. am: 印刷氮化铜纳米线的金属锂负极,具有良好碳酸酯类电解液兼容性

锂金属负极的实际应用受到诸如锂枝晶生长,体积变化大和寿命差等障碍的限制。为了应对这一挑战。近日,韩国汉阳大学ungyu paik等人通过一种简便,低成本的辊压法在锂表面上印制了氮化铜纳米线(cu3n nws),用于碳酸酯类电解液中的高压正极材料。通过一步式辊压,可以将cu3n nws共形地印刷到锂金属表面上,并在锂金属上形成li3n@cunws层。li3n@cu nws层可通过三维通道结构以及li3n的高锂离子电导率的共同协助作用使得锂离子通量更加均匀。

 

通过这些有益的改性,li3n@cunws层可以引导li沉积成致密的平面结构,而不会生长成锂枝晶。在对称锂电池中带有li3n@cu nws保护层的锂金属即使在5.0 ma cm-2的高电流密度和低过电势的情况下,也表现出出色的循环性能。此外,使用licoo2经过300个循环,可以在一个全电池中实现稳定的循环能力和很好的倍率性能。当使用li4ti5o12作为正极时除去不可逆反应,可以在约2ma cm-2的实际电流密度下实现超过1000次循环的稳定循环。


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dongsoolee, seho sun, jiseok kwon, hyunjung park, minchul jang, eunkyung park,byoungkuk son, yeongil jung, taeseup song, ungyu paik, copper nitride nanowiresprinted li with stable cycling for li metal batteries in carbonateelectrolytes, adv. mater 2020

doi:10.1002/adma.201905573

https://doi.org/10.1002/adma.201905573

 

34. jacs: 原位光谱手段揭示贫液态锂金属负极的设计原则

少量电解液条件(贫液态)是金属锂电池实用化进程的关键。在之前的研究中,很多金属锂负极在大量电解液条件下都表现出优异的电化学稳定性。但是,有关贫液态金属锂负极的设计原则到现在一直都没有得到很好的研究。最近,澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋教授团队利用原位谱学手段发现金属锂负极中的电解液消耗会严重影响其电化学稳定性。

 

他们以典型的三维碳集流体作为研究对象,首次使用原位x射线衍射、原位拉曼光谱并结合理论计算对金属锂成核/沉积过程进行了研究。同时,他们还发现原位电化学阻抗谱能够有效反映金属锂/电解液界面上的界面波动状况,核磁共振光谱数据能够定量描述电解液消耗的状况。基于上述研究手段,他们发现不均匀的金属锂成核/沉积过程和表面sei膜的破裂是导致电解液持续消耗的两大主因。因此,要想克服电解液消耗的问题,就必须对载锂载体进行重新设计以控制不均匀的锂沉积结构和抑制sei膜的破裂。


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huanli, shizhang qiao et al, revealing principles for design of lean-electrolytelithium metal anode via in situ spectroscopy, jacs, 2020

doi: 10.1021/jacs.9b11774

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b11774

 

35. angew: 富含苯二硫化钠的保护层助力无枝晶金属钠负极

金属钠凭借其高理论比容量、低成本和丰富的原料来源等优势而成为金属基可充电池的理想选择。然而,不稳定的固态电解质界面会使得金属钠在电化学沉积过程中生长枝晶,这对于金属钠负极的实际应用来说是个十分棘手的问题。

 

最近,上海大学的minghong wu澳大利亚卧龙岗大学的chao wu等利用简单的方法在金属钠负极表面构建了一层富含苯二硫化钠的保护层,在碳酸酯电解液中该保护层能够有效抑制电沉积过程中钠枝晶的生长。在1ma/cm2的电流密度下,受保护的钠电极能够保持长达800h的稳定工作而不生长枝晶。研究人员发现苯二硫化钠这种有机盐是保护层中起到关键作用的组分,其作用与传统sei膜中的无机盐有显著不同。该工作为发展基于有机盐保护的金属钠负极开辟了道路。


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mingzhu, minghong wu, chao wu et al, dendrite-free sodium metal anodes enabled bysodium benzenedithiolate-rich protection layer, angewandte chemie internationaledtion, 2020

doi: 10.1002/anie.201916716

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201916716?af=r

 

36. nat. commun.:通过辛基苯基聚氧乙烯-锂络合稳定锂金属负极

可充电移动设备、电动汽车和大规模电网储能的高需求促使人们对高能量密度的锂电池进行深入研究。锂金属由于其低的电化学势和高的理论容量而成为锂电池的理想负极。因此,将容量最高的负极(金属li)与高容量的正极(包括o2和s)结合在一起的电池引起了广泛的关注。然而,阻碍li-o2和li-s电池广泛实际应用的主要障碍是与金属锂负极有关的问题。锂枝晶的沉积、大的体积变化和不稳定的固体电解质界面(sei)层都导致了锂金属电池的不实用性。

 

在此,江苏师范大学赖超教授报道了一种添加辛基苯基聚氧乙烯(op-10)添加剂的电解液,其可使锂负极表面形成稳定的复合层。该表面层不仅促进了锂的均匀沉积,而且促进了由交联聚合物组成的坚固的固体电解质界面膜的形成。因此,使用op-10添加剂构建的锂对称电池在1 ma cm−2的400个循环中表现出优异的循环稳定性,并在高达4 ma cm−2的电流密度下也表现出优异的性能。用lifepo4正极组装的全电池显示出高的倍率性能和令人印象深刻的循环能力,每个循环的容量衰减只有0.023%。这项研究提出了一种有效的锂沉积调控策略,构建了稳定的sei膜,能够显著抑制锂枝晶的生长。此外,它还开拓了一种新的电解质添加剂,用于生产更安全、持久和更耐高电压的锂电池。


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hongliudai, xingxing gu, jing dong, chao wang, chao lai, shuhui sun. stabilizinglithium metal anode by octaphenyl polyoxyethylene-lithium complexation. naturecommunications 2020, 11 (1), 643.

doi:10.1038/s41467-020-14505-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14505-8

 


37. angew:锚定介质,可在锂氧电池中实现无梭形氧化还原调节

锂氧电池由于其极高的理论能量密度,在过去的十年中引起了广泛的研究关注。然而,锂氧电池的实际实现一直受到相关电化学反应可逆性不足和能量效率低的制约。这些问题可以部分归因于绝缘放电产品(过氧化锂,li2o2)的电化学充电困难。为了解决这个问题,人们努力寻找合适的催化剂来促进li2o2的可逆分解,主要集中在新的金属或金属氧化物上,从而提高催化活性所提供的可逆性。然而,尽管催化活性相对较高,但后来发现催化剂的选择性普遍较差,导致各种副反应,涉及严重的电解液分解。氧化还原介质(rms)是降低锂氧电池大极化的有效措施。然而,实现充分的可循环性增强受到自由移动氧化还原介质交替使用的限制,这有利于电荷传输,但也会引发穿梭现象。

 

在这里,韩国首尔国立大学的kisuk kang等人通过将rms以聚合物的形式锚定,用沿着聚合物链的电荷转移代替物理rm迁移,成功地将rms携带氧化还原特性与穿梭现象解耦。以聚合物ptma(2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基-4-甲基丙烯酸酯)为模型体系,以众所周知的rm四甲基哌啶氧基(tempo)为基础,证明ptma能够作为一个固定rm发挥作用,同时保持tempo的氧化还原活性。在不消耗氧化rms或不降解锂负极的情况下,rm介导的li2o2分解效率保持非常稳定,从而显著改善了锂氧电池的性能。


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youngminko, hyunji park, kyunam lee, sung joo kim, hyeokjun park, youngjoon bae,jihyeon kim, soo young park, ji eon kwon, and kisuk kang. anchoredmediator enabling shuttle–free redox mediation inlithium–oxygen batteries. angew. chem. int. ed.10.1002/anie.201916682.

doi:10.1002/anie.201916682

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201916682

 

38. adv. sci.:混合钠-空气电池能否胜过非水系钠-o2电池

在全球范围内,能源和环境问题十分普遍和突出。可充电电池已被广泛研究用于更有效和对环境无害的储能系统。在众多可充电电池系统中,锂离子电池(libs)被认为是最有前途的储能技术,也是构建低碳、可持续电力平台的关键系统。libs在所有便携式电子产品、电动和混合动力汽车以及电网规模的能源存储系统中有着巨大的应用。然而,近年来,由于锂的价格呈指数级增长,锂基系统以外的新型和替代能源存储设备的研究开始受到科研工作者的广泛关注。钠(na)金属电池可能是锂电池的替代品,因为钠和锂的电化学电压相似,而钠的自然丰度是锂的一千倍。

 

虽然到目前为止,人们已经专门研究了两种不同类型的基于电解质的钠-o2电池,但一种混合钠-空气电池相对于非水系电池系统有独特的优势。混合钠-空气电池的一个根本优势是可以形成高度可溶的放电产物(氢氧化钠),这导致充放电过程的过电位低,电能效率高,循环稳定性好。在此,林雪平大学xavier crispin等人报道了与混合na-空气电池有关的现状和挑战。此外,还简要介绍了非水系na-o2电池及其与混合na-空气电池的紧密竞争。


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ziyauddinkhan, mikhail vagin, xavier crispin. can hybrid na–air batteries outperform nonaqueous na–o2batteries? advanced science 2020, 1902866.

doi:10.1002/advs.201902866

https://doi.org/10.1002/advs.201902866

 


39. am综述:用于离子液体电解质的锂离子电池隔膜

为了应对更安全的锂(离子)电池的挑战,需要新的电解质以及新的隔膜材料。当前的电池电解质使用易挥发、有毒和易燃的材料,而隔膜是专门为这些材料设计的,以支持它们的性能。新型液体电解质的使用会带来新的复杂性,如增加粘度,降低离子电导率和降低商业隔膜材料的润湿性等,这些都会严重影响设备的充放电特性。离子液体(ils)作为一种更安全的锂离子电池替代电解质被广泛研究。与传统电解质相比,il电解质的特性使其具有更高的热稳定性,但与商用隔膜相比其润湿性也较差。在锂离子电池中,电解液应完全浸湿隔膜和电极以降低电池内阻。

 

对含有il电解质的电池材料的研究表明,il电解质电池的润湿问题很可能是由于隔膜相容性差,而不是由于电极相容性差。在il电解质可用于商业锂离子电池之前,必须开发出一种兼容的隔膜。基于此,澳大利亚联邦科学与工业研究组织(csiro)adam s. best等人综述了用于il电解质的隔膜,包括商业隔膜和新型隔膜。充分考虑了具有不同加工方法、聚合物、添加剂和不同il电解质的隔膜。经整理,隔膜的研究表明,离子电导率和膜孔隙率之间存在很强的相关性,甚至比电解质类型的相关性更强。为il电解质选择合适的隔膜的挑战尚未解决。il电解质的隔膜很可能需要结合高热机械稳定性聚合物、陶瓷添加剂和优化的制造工艺。


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candicef. j. francis, ilias l. kyratzis, adam s. best. lithium-ion battery separatorsfor ionic-liquid electrolytes: a review. advanced materials 2020,1904205.

doi:10.1002/adma.201904205

https://doi.org/10.1002/adma.201904205

 

40. chem. rev.: 锂离子电池可持续回收技术及展望

 近年来人们一直在努力地发展新型的电极材料、电解质和隔膜等来满足电动汽车、消费电子领域等对锂离子电池的不同需求。然而,人们对于锂离子电池以及各种新型高比能二次电池的可持续的关注却比较少。回收利用在未来电池的整体可持续性中发挥着重要作用,但是电池的回收利用受到包括电池的环境危害以及各组分价值等电池属性的影响。因此,在发展新型电池体系的过程中必须考虑到电池未来的回收利用情况。

 

在本文中,北京理工大学的吴锋院士陈人杰教授等对二次电池的可持续性利用进行了系统性的总结与概括。文章以电动汽车为重点,从经济、环境、政策等方面分析了电池的市场竞争力。同时,考虑到未来几年将有大量锂离子电池面临退役,作者又从经济可行性、环境影响、技术性和安全性等方面对电池的利用与回收进行了深入评估。此外,作者还从生命周期评价的角度讨论了电池的可持续性,并从战略资源和经济需求的角度进行了分析。最后,作者提出了以高效、经济、环保、安全为目标的电池回收4h策略并强调了电池可持续性的新挑战和未来前景。


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ershafan, feng wu, renjie chen et al, sustainable recycling technology for li-ionbatteries and beyond: challenges and future prospects, chem. rev., 2020

doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00535

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00535

 

41. am综述:可充电电池电极材料的缺陷工程

设计高性能电极材料具有重要的科学意义和实际意义。由于电极材料内部的电子结构和组成可以决定反应速率和传递过程,所以可以通过调整电极材料的结构来改变电化学性能。充电电池电极材料的合理设计对促进可再生能源技术的发展具有重要作用。随着对电极反应机理的深入理解和先进技术的快速发展,通过电极材料缺陷工程的引入,电池的性能得到了显著的优化。在电化学反应中起重要作用的是电极材料缺陷结构中暴露的大量的配位不饱和位点。

 

近日,湖南大学的shuangyin wangru chen以及湖南大学&长沙理工大学的yiqiong zhang等人系统总结了可充电电池电极材料缺陷工程的最新进展,重点介绍了金属-离子电池、锂-硫电池和金属-空气电池的应用。该缺陷不仅能有效地促进离子的扩散和电荷的转移,而且为客体离子和中间体提供了更多的存储/吸附/活性的位点,从而提高了电池的性能。通过缺陷工程进一步优化电极材料,促进电池行业的发展。


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yiqiongzhang,li tao, chao xie, dongdong wang, yuqin zou, ruchen, yanyong wang, chuankun jia, and shuangyin wang. defect engineeringon electrode materials for rechargeable batteries. advanced materials.

doi: 10.1002/adma.201905923

https://doi.org/10.1002/adma.201905923

 

42. am:3d打印结构增强了赝电容石墨烯气凝胶的动力学和本征电容

碳是超级电容器极具吸引力的活性材料,因为它们大多便宜且导电性好。电荷通常通过在电解液中形成双电层储存在碳电极上。它使超快的充放电速率和突出的循环稳定性成为可能,而碳基电极的电容最终受到其表面积的限制。3d打印技术已广泛用于不同的研究领域,例如储能设备、催化、电子、微流体和生物技术。与块电极相比,3d打印的电极显示出更好的电解质渗透和离子扩散能力。赝电容电极在快速充电时的性能通常受到慢的法拉第反应动力学和离子在体结构中缓慢扩散的限制。这对于厚电极和高负载活性材料的电极尤其成问题。

 

在此,加州大学圣克鲁兹分校yat li等人提出了一种表面功能化的3d打印石墨烯气凝胶(sf‐3d ga),它不仅能在100 ma cm−2的高电流密度下达到2195 mf cm−2的基准面电容,而且即使在12.8 mg cm−2的高质量负载下,也可以达到309.1 µf cm−2的超高本征电容。重要的是,动力学分析表明sf‐3d ga电极的电容主要(93.3%)来自快速动力学过程。这是因为3d打印电极具有开放的结构,确保了碳表面官能团的良好覆盖,即使在高电流密度和大质量负载/电极厚度的情况下,也能促进这些表面官能团的离子可及性。以sf-3d ga为负极,mno2修饰的3d打印ga为正极的非对称器件在164.5mw cm−2的超高功率密度下可实现0.65mwh cm−2的显著能量密度,性能优于相同功率密度下的碳基超级电容器。


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binyao, swetha chandrasekaran, haozhe zhang, annie ma, junzhe kang, lei zhang,xihong lu, fang qian, cheng zhu, eric b. duoss, christopher m. spadaccini,marcus a. worsley, yat li. 3d-printed structure boosts the kinetics andintrinsic capacitance of pseudocapacitive graphene aerogels. advancedmaterials 2020, 1906652.

doi:10.1002/adma.201906652

https://doi.org/10.1002/adma.201906652

 

43. angew:空心多壳结构有利于锂离子电容器的电荷输运和活性位点

 锂离子电容器(lics)充分结合了锂离子电池和超级电容器的优点,具有较高的能量密度和功率密度。理想的lic电极材料应该具有丰富的反应场所和高速的电荷传输。虽然纳米颗粒可以提供较大的表面积,但是纳米颗粒的随机堆积并不能提供足够的有效表面积,同时也阻碍了质量的传递。在这种情况下,将这些纳米粒子组装成具有丰富层次多孔结构的空心结构是合理的,有利于活性位点和质量的传输。

 

然而,传统的单壳空心结构受到体积容量小、电荷输运相对较差的限制。在这种情况下,更需要设计一个中空的多壳结构(homs)来提高性能。中国科学院工艺工程研究所的dan wang等人首次采用顺序模板法合成了三层(3s)nb2o5空心多壳结构(homs),并将其应用于lic负极。homs独特的结构,如大的有效表面积、分层孔隙、多壳层等,提供了丰富的反应场所,降低了电子输运阻力,提高了离子输运的扩散速率。此文中所制得材料,是目前所有报道的基于nb2o5材料中的最佳的组合性能,同时提供了优异的能量和功率密度,并具有极佳的循环稳定性。


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danwang. hollow multi-shelled structure benefited charge transport and activesites for li-ion capacitors. angew. chem. int. ed. 10.1002/anie.201914680.

doi:10.1002/anie.201914680

http://dx.doi.org/10.1002/anie.201914680

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